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四大觸控面板新興材料技術發展概況

[發布時間:2014-10-23閱讀次數:498次]

納米銀線與金屬網格都具有比ITO導電性更佳、價格更低的優勢,但截至目前,其中金屬網格仍存在不透光、高反射、莫瑞干涉(Moire)等問題亟待解決,因此,納米銀線的相對優勢似更為品牌廠商及觸控技術研發廠商所看好。

    隨著觸控面板大尺寸化、低價化的需求,以及ITO薄膜不適用于可撓式顯示器應用、導電性及透光率等本質問題不易克服等,眾廠商紛紛開始研究ITO替代品,包括納米銀線、金屬網格、碳納米管以及石墨烯等材料,其中以納米銀線和金屬網格的發展較為成熟。

    一、金屬網格(metalmesh)技術發展概況

    金屬網格是利用銀、銅等金屬材料或氧化物,在PET等塑膠薄膜上所形成的金屬網格圖案。其理論低面阻值可達0.1歐姆/□,并且具備電磁遮蔽功能而降低訊號干擾;但其所制得的觸控感測器圖形線幅稍粗(特別是線幅超過5μm以上)致莫瑞干涉波紋非常明顯,僅適用于觀測距離較遠的顯示屏。

    較早發展的日本企業是富士和郡是,都是在2009年起開始生產金屬網格薄膜并之后提供觸控面板業者使用。富士和郡是是直接供應觸控感測器甚至模組,以協助終端業者降低進入的技術門檻。除此兩家之外,美國企業Atmel雖提供觸控IC至透明導電膜的解決方案,但因技術發展較晚,且在生產過程屢因制程問題而影響其出貨,而大陸企業受Atmel發展結果的影響,于是企圖同時強化研發與制造能力,以獲得完整的解決方案。

    金屬網格的基礎技術主要可分為三種,一、為直接以金屬油墨加以網印;二、為先于PET薄膜上涂布整面金屬,再透過黃光微影制程,洗去多余成分而產生網格;三、的技術和第二類似,只是將其中的金屬改成溴化銀,利用化學還原成銀。原本生產銀鹽膠卷的富士就是采用第三種方法,并成為全球金屬網格薄膜的龍頭業者,而其他業者,例如郡是及大陸廠家都是采用第一種技術,Atmel則是使用第二種技術,另外也有獨自開發其他技術的,例如日本企業阿基里斯(Achilles),但尚未實用化。

    金屬網格的量產訊息,2013年上半年,臺灣廠家華碩7寸平板電腦、大陸廠家聯想NB等率先采用金屬網格;大陸廠家華為、日本廠家恩益禧(NEC)智能手機也先后加入,特別是后者采用金屬蒸鍍技術來制作。再者,2013年也有搭載薄膜觸控制程的GFF方案或MetalMesh技術機種陸續推出。預期2014年,該技術雖仍處萌芽階段,但在取代ITO的薄膜式觸控面板的道路上,在中大尺寸產品領域具有潛力。

    雖然MetalMesh因為投入的廠商多,在市場中具話題性,而且價格也不貴,但至今MetalMesh卻尚未被真正地大量生產。誠如SuperC_Touch總經理李祥宇所指出,其問題在于未達足夠的光穿透率,圖形化形成細線的過程中必須拿掉95%~99%的觸控感應涂層面積,導致觸控訊號降低20~100倍,現今觸控IC難以支援;其二,為了讓眼睛看不到,金屬線幅必須小于5微米,而采用黃光顯影制程或精密印刷技術,但兩者費用偏高。因此,欲使低于5微米金屬線幅不斷裂、解決金屬反射問題、材料氧化等,都讓金屬網格技術備受考驗。

    二、納米銀線(SNW,silvernanowire)技術發展概況

    納米銀線是透明導電材料,納米銀線的直徑小,在250nm以下,在可見光范圍下的透光性高,同時,銀具有高導電性和穩定性,可運用在觸控感測導電圖型結構的制程中,作為ITO透明導電膜的替代方案。目前的觸控式屏幕使用ITO薄膜大多色偏而發黃,而采用納米銀線為新材料便可實現幾乎無色的狀態。

    在制造方法上,原來的ITO制程使用真空工藝,而納米銀線油墨則能夠用涂布法成膜,因此可以低成本制造;再者,現有ITO薄膜無法抗彎曲,而納米銀線則可輕松彎曲,匹配未來撓性器件的發展需要。

    當觸控面板尺寸大到14或15.6英寸以上時,ITO的使用限制就會更加明顯。在CTIMES舉辦的2013第四屆觸控論壇中,廠商Cambrios的大中華區總監JeffreyChen指出,MetalMesh及納米銀線兩者可量產度及成熟度應該相差不遠。但如何架構完整的供應鏈,將是觸控廠商在使用新材料與技術時,非常慎重考慮的一點,”Jeffrey說。目前ITO的替代技術中以納米銀線的量產化進度快,有利于市占與價格降低。

    有關納米銀線的量產信息,宸鴻與廠商Cambrios合作開發納米銀線觸控技術已經超過3年,其中,日本企業寫真印刷加入此一陣營,將引進塑膠薄膜觸控制程與卷對卷生產技術進一步整合,一同制定納米銀線觸控技術的產業規格與研發,開發出更具有價格競爭力的產品。該陣營將于2014年4月陸續量產納米銀線觸控面板,規劃月產能約200萬片,初期鎖定聚焦于5~7寸的移動終端。

    日立化成,其納米銀線材料來源為美國CambriosTechnology公司,其產品結構是先在基材上濕式涂布一層納米銀線,在其上涂布感光劑(TransparentConductiveTransferFilm,TCTF),然后透過黃光制程,進行曝光及鹼性顯影而形成所需電路圖案,很適合中大尺寸之觸控面板。

    目前市場上已陸續可看到采用納米銀線技術的產品,如華為Sprint、LG及聯想AIO、GVISION的POSMonitor等。

    三、碳納米管(CNT,carbonnanotube)技術發展概況

    碳納米管(carbonnanotube)是由單層或多層之石墨層,卷曲成直徑1納米至50納米間的中空柱狀體,主要分成多層碳納米管(multi-wallnanotubes,MWNT)及單層碳納米管(single-wallnanotubes,SWNT)兩種型式。CNT導電性質隨CNT結構之不同而有很大差異;在電性上,SWNT又可依直徑與旋度(chirality)之差異再區分為金屬性與半導體性,其電阻率分別約為5.1x10-6(與金屬銅相當)及1x10-4Ω-m(與鍺相當);在觸控面板技術的應用上,當然以電阻率低且透光率高的金屬性單層碳納米管為主。

    碳納米管透明導電膜的制程包含了一系列的工藝,由碳納米管的成長開始,經過碳管純化、分散液與涂布液的配制、薄膜涂布、圖案化與應用制程開發,每一個步驟都對碳納米管透明導電膜的產品性能影響甚巨。控制CNT透明導電膜特性之因素大致包括CNT本質導電度、管徑與網絡形貌等,但目前技術并無法獨立評估各因素之影響程度。

    過去以碳納米管作為觸控面板用透明導電膜的嘗試,以亞洲廠商為主,例如日廠東麗(Toray)、臺廠遠東新世紀以及韓廠三星電子等,但均因導電性不如其他ITO代替品、靶材成本較高、以及制程穩定度不足等缺陷而始終無法量產。

    近期,鴻海投資的識驊科技因具有量產觸控面板成功的實績而引人囑目。鴻海和國內清華大學早在2002年就開始合作研發碳納米管,并成立北京清華-富士康奈米研究中心。用于觸控面板的碳納米管是從化學氣相沉積設備(chemicalvapordeposition)中所形成碳納米管,利用每根碳納米管之間的凡德瓦爾力拉伸成薄膜,因為單層的厚度極薄而光透過率不差,且拉伸成膜中的每根首尾相接的碳納米管間可以直接電性連接,所以是CNT材料的翹楚,然而,盡管材料技術掌握了,卻還是遲至2010年在臺投資成立識驊科技(大陸同期另成立富納源創公司)之后,才真正展開碳納米管做為透明導電膜的生產。

    目前國內的富納源創公司滿載月產能約150萬片(以手機應用計),實際產品則以手機應用為主,而主要客戶為華為等大陸主要智能手機大廠,不過目前仍處于初期導入階段,先行導入1~2個機種測試市場水溫。

    四、石墨烯(graphene)技術發展概況

    石墨烯(graphene)是一種由碳原子組成六角型呈蜂巢晶格的二維平面材料,石墨烯目前是世上薄卻也是堅硬的納米材料,它幾乎是完全透明的,常溫下其理論電子遷移率超過15000cm2/V·s,而理論電阻率只約10-6Ω·cm,因為它的電阻率極低,電子跑的速度極快,因此被期待可用來發展更薄、導電速度更快的透明導電膜。

    作為用于多種用途的透明導電膜,光透射率在理論上為97.5%;但在此條件下,所制成的實體薄膜電阻值仍高而距離觸控面板所需的規格仍遠。

    在石墨烯的研究開發領域,韓國企業一直處于全球先進地位。韓國GrapheneSquare公司開發出大面積石墨烯薄膜的制造裝置,并在2012年春季開始銷售日本等國家。韓國三星電子也極力發展大面積石墨烯薄膜技術,以匹配可撓性OLED顯示屏,然而,因為石墨烯薄膜觸控面板與OLED顯示屏一樣,都因為成本太高而僅少量供貨試水溫,距離可以大量生產的階段仍遠。關于石墨烯制成實體薄膜的薄膜電阻值,TPK所制作的產品當光透射率為87%時,薄膜電阻值為500-/,雖然還稍微有些大,但已較過去薄膜電阻值卻在1k-/.左右有所進展。同時長谷川正在考慮與導電性較高的金屬納米網片(MeshSheet)等組合使用(hybrid)來解決薄膜電阻值高的問題。

    不論過去是玻璃電容或是薄膜電容為主的廠商,走向新材料與技術是一必然的發展趨勢,理由在于,新材料與技術可以從手機尺寸一路用到20寸以上,其阻抗值、延展性與可撓性均優于ITO薄膜,特別是在配合可穿戴設備的曲面玻璃設計上,顯得重要;再者,新材料可以補填OGS不足之處,OGS將感應層與保護玻璃2合1后,雖然可以更顯輕薄,但觸控面板元件變成產品外觀件后,其不同機種間的共用性就大幅降低,其存料管理對手機這種機種繁多、產品生命周期又短的產品地來說,更顯得嚴苛。因此,新材料技術有機會成為新一代的薄膜式電容,雖然不致在短時間內全面取代ITO薄膜,但是取代比重卻會逐年提高。根據IHS資料,ITO目前在觸控面板透明導電薄膜市場仍有95%左右的市占率,不過到2017年底前,替代性技術如金屬網格、納米銀線等市占總和很可能來到34%,ITO的市占則會掉到66%。

    綜觀目前,石墨烯則仍處于研發階段,距能夠量產的程度仍相當遙遠,而碳納米管從成長至分散成膜各階段之能量也未完善,CNT在導電特性尚不易達到ITO的規格等級。基此,本文認為就技術發展持續推演來看,金屬網格與納米銀線將是近期新興觸控技術的兩大核心主角。

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